JP3198807U - トリチウムからの液体放射性廃棄物の精製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーコストを低減し、生産性を向上させるトリチウムからの液体放射性廃棄物の精製装置を提供する。【解決手段】トリチウムからの液体放射性廃棄物の精製構造であって、凝縮器３、蒸発器２、精留塔１、ホット化学同位体交換カラム８、コールド化学同位体カラム７、ホット化学同位体交換カラムとコールド化学同位体カラムの水素循環用ライン９、および、精留塔を備えた、トリチウムからの液体放射性廃棄物の精製構造であって、酸素の透過のための追加の化学的同位体交換カラム、電解槽、電解槽と接続され、コールド化学同位体カラムと接続された追加の化学的同位体交換カラム１３、触媒バーナー１５と追加の化学的同位体交換カラムから水素を移送するための経路を備え、蒸発器と凝縮器を接続し、圧縮機と膨張弁を有する冷媒を循環させるための熱交換器に接続経路が装備されており、ホット化学同位体交換カラムは、蒸発器の導管に接続されている。【選択図】図１

Description

本考案は、放射性廃棄物管理の分野に関し、トリチウムからの液体放射性廃棄物の精製に用いることができる。

液体放射性廃棄物を含むトリチウムは、原子力発電所、再処理工場やトリチウム標識化合物の製造で大量に生産される。フランス、カナダ、韓国では、大規模な産業施設が運営されている（Ｂ．Ｍ．Ａｎｄｒｅｅｖ、Ｙａ．Ｄ．Ｚｅｌｖｅｎｓｋｙ、Ｓ．Ｇ．Ｋａｔａｌｎｉｋｏｖ：いくつかの国においてトリチウム重水廃棄物（トリチウムを含む重水重水）を削除している。重水素は核技術で同位体である。 Ｉｚｄａｔ．Ｍ．、２０００）。（ＣＥＣＥタイプと呼ばれる）この種の設備は、液相接触同位体交換（ＬＰＣＥ）のラインが含まれ、処理水の電解分解のためのセルの底に充満されている触媒同位体交換水−水素化合物の水素（重水素、トリチウム）にすることによりラインのバーナーから水の移動及びバーナーのラインから水素を供給するためのガスラインのための導管を介して、水を水素の酸化のためのカラムの電解セルのための電解槽と水素供給管にカラムから水を供給し、バーナーの上部に接続するためのパイプを用いる。このラインはさらに上部の給電線トリチウム汚染水の中央または下部に装備されている。処理水の抜き出しライン、およびセル選択線トリチウム濃縮（ジョンＰ．バトラーら、米国特許第４１９０５１５Ａカナダ原子力公社、１９７８年５月１８日、１９８０年２月２６日）が設けられている。この設計の装置は、小さい寸法でトリチウムから高度の精製を達成するが、水の電気分解のための多くの費用を必要とする。被処理水１リットルあたり１３０００＄、またはそれ以上である（ロバート・Ｈ・ドレイク トリチウムの回収 トリチウム化した廃水 費用対効果分析 ＬＡ−ＵＲ−９７−３７６７ ロスアラモス国立研究所、１９９７年６月、９頁）。そのため、装置のこのタイプの使用は、重水のような貴重な原料の加工には正当化されるが、トリチウム、軽水の浄化の場合には経済的に実行可能ではない。

わずかなエンドデバイスとトリチウムの前抽出、濃縮する高い能力を持つデバイスを組み合わせた装置より複雑な設計を適用し、トリチウムで汚染された水の通常の洗浄の間に、トリチウムを少量含む原料を処理するように設計される。これらの設計は、洗浄プロセスのための電力消費を低減し、トリチウムの高い含有量を有する中間生成物の蓄積を減少させることができる。

よく知られ、その上部にトリチウムを、底部に汚染された水を供給するための導管を有し、気相接触水素水交換（ＶＰＣＥ）のラインが含まれているトリチウムからの水の浄化のための設備、精製水の選択のための導管、および向流ラインのために装備ガス拡散カスケードライン（ＧＤ）に結合されているカラムを通る水素循環、熱拡散ライン（ＴＤ）にトリチウム濃縮された水素を伝達するためのラインが存在する出力、高濃度の三重水素が供給される選択ライン（Ａ．Ｂｕｓｉｇｉｎ、米国特許第７８１５８９０ Ｂ２、膜拡散トリチウム除去および濃縮に続いて、水から元素水素流へのトリチウムの移動、続いて膜拡散トリチウム除去および濃縮、および、熱拡散によるによる最終トリチウム濃縮による水からのトリチウムの除去のためのプロセス、スペシャルセパレーションアプリケーション社、１９．１０．２０１０）。装置は、ガス拡散カスケードの大きな流れを処理することを可能にするトリチウムの事前の濃縮を提供し、熱拡散カスケードにおいてトリチウムの最終濃度を実現する。しかし、この構成の装置は、ガス拡散カスケードで高価な材料（パラジウムと銀）であり、プロセスは非常にエネルギー集約型ガス拡散である。

汚染された給電線との部分の途中に接続され、精製水とトリチウムの前濃縮の生産のために、また、トリチウムから浄水を生成する方法について説明され、企業の水を蒸留するためのラインを含んでいる「ゼネラル・エレクトリック」（ＧＥ 日立）、（ＷＤプロセス）を操作する真空ラインと精製水の選択（触媒転化または反応器）および電解槽に接続された底部に接続された上部の水のカソード、次に、下側部分を有する熱拡散カラムと水素供給管に接続されているライン高濃縮トリチウムの選択、および上部に、低濃縮トリチウムのライン選択（Ｉ． ＢｏｎｎｅｔｔとＡ．Ｂｕｓｉｇｉｎ、米国特許７４７０３５０、ＧＥヘルスケアＵＫ社、軽水からトリチウムを除去するためのプロセス ２００８年１２月３０日）。

同様の設計はスペシャルセパレーションアプリケーション社が開発した装置である（ＳＳＡＩ）とＧＥ日立（Ａ．Ｂｏｎｎｅｔ、Ａ．ＢｕｓｉｇｉｎおよびＡ．Ｓｈａｐｉｒｏ、トリチウム除去および分離技術開発、核融合科学および技術、２００８、Ｖｏｌ．５４、２０９−２１４頁）、水の蒸留カラム（ＷＤ−プロセス）を含む、水素のラインは、ガス拡散カスケードライン（ＧＤプロセス）に接続されたセル（ＳＥＣＥプロセス）、その下部に備えられた触媒の同位体交換カラムに接続される。

そのような廃棄物の蒸気として使用して、トリチウムの精留塔、安価なエネルギーを供給できるエネルギーで汚染された水が大量に流入する流れを処理するための上記の両方の装置である。精留塔は、その前にトリチウムガス相（水素）と気相中のトリチウムの濃度が液相（水）からトリチウムを転送するために設計された電解液反応器または触媒変換富化伝送線と接続されている。電解槽反応器または触媒変換は、次いで、トリチウムガス拡散またはトリチウムの最終濃度のために、熱拡散カラムに濃縮されたトリチウムの水素を輸送するための導管である。このタイプのシステムでは、非常にエネルギー集約型の電解反応器またはこれらの構造の欠点である触媒転換である。また、ガス拡散や施設を構成する熱拡散ラインは、システム全体のコストの大幅な増加につながり、増加した放射線障害とその収容空間に大量に必要である。

近年、水の入ってくる流れの処理のために、より効率的な装置を提供するために洗浄プロセスのためのエネルギー消費量を削減する目的でも精留塔を使用しているが、電気分解または触媒変換のためのエネルギー消費機器の設計から除外される。その代わりに、これらのデバイスは、高い温度で動作する、触媒化学同位体交換水水素の消費電力の直列接続されたカラムを使用する（例：ホットライン）と低温（いわゆるコールドライン）（Ｗ．Ｒ．Ｃ． Ｇｒａｈａｍ，米国特許６８５８１９０、ＡＥＣＬ、重水製造方法及び装置、２００５年２月２２日；Ａ．Ｂ．Ｄｅｍｉｎら、実用新案番号１１２８４２、トリチウムからの精製プラントの復水トリチウム ロシア特許 ２０１２年１月２７日；Ａ．Ｉ．Ｋｏｓｔｙｌｅｖら、実用新案番号１２６１８５、トリチウムからの液体放射性廃棄物の処理のための装置、２０１３年３月２０日 ロシア特許）。このような設計は、劇的にエネルギーコストを低減することができる。さらに、これらのラインに代わりのガス拡散または熱拡散を行うことは、装置のサイズを減少させる化学的同位体交換カラムが使用される。

設計の最も効果的なトリチウムからの液体放射性廃棄物の処理のための設定である、有用なモデルのためのロシア連邦の特許（実用新案１２６１８５）に記載されているように、装置は、凝縮器および蒸気キューブ蒸発器とシリアル接続される配管を備えた精留塔で構成されているコロン接触化学同位体交換水 − 水素、高温（ホットカラム）、これらのコールドカラムおよびホットカラムの水素循環用の低温（コールドカラム）、設備の整ったルートで動作する。お湯と水の同位体交換化学の直列接続されたライン電解、その上部に触媒バーナーと濃縮トリチウムを回収するための容器の底部に取り付けられた追加の化学的同位体交換カラムに、順番に、水素は、接続されている。

この設定を、本考案に最も近いプロトタイプとして選択した。この設計の欠点は、水の蒸留に関して、高エネルギー消費であることである。このプロセスのためのエネルギーコストは、実際に装置によるトリチウムの放射性廃棄物（水）を浄化する費用を決定し、精製水１リットル当たり約２０キロワットである。

また、技術的に複雑な操作や濃縮ｔｒｉｔｉｄａチタンの形でトリチウムを選択して定着するための非常に高価な装置である。

本考案によって解決すべき課題は、すなわち、これらの欠点を排除することである。
−水を整流するためのエネルギーコストを低減する、洗浄プロセスの総エネルギー消費量によって決定する。
−生産性を向上させ、操作選択トリチウム濃縮物を定着する。
本考案の技術的結果は、洗浄工程のエネルギーコストを低減することである。この結果は、凝縮器の蒸発器内の水の蒸発のために費やされた冷媒−冷媒熱回収の循環によって確保される精留塔ヒートポンプ回路の組成物に使用することにより得られる。選択および定着トリチウムの濃縮水の形態でセルの外に安全性とシステム全体の動作の作業性を向上させる。これは、提案された技術的な解決策の更なる結果である。

また、本考案では、トリチウムからの液体放射性廃棄物の処理のために設計されたハードウェアの兵器庫を拡張することができる。実用新案登録請求の範囲に記載の技術的解決策の結果は、トリチウムから液体放射性廃棄物を浄化するための装置は、蒸気凝縮器、オーバーヘッド精留塔及び精留塔の下方に位置する蒸発器を備えた精留塔を含むことによって達成される。。特定の実施形態において、蒸発器は、立方体であってもよい。

加熱コイルと冷却コイルを取り付けた冷却器を備えたトリチウム蒸発器から洗浄工程のエネルギーコストを削減する。蒸発器と凝縮用熱交換器の特定のケースでは、コイルとして形成することができる。蒸発器と凝縮器が取り付けられたコンプレッサーと冷却水を循環させるための膨張弁とバックボーンはリンクされている。冷媒フロンを用いることができる。本考案の解決策によれば、冷媒−冷媒の循環が蒸発器、凝縮器中の水蒸気の凝縮に放出される熱を返すことによって、精留塔内の水を蒸発させることで消費されるエネルギーを節約することができる。

精留塔はより低い温度で動作するコールド化学同位体交換カラムの入口に接続された導管を経由している。また、高温で動作するホット化学同位体交換カラムが含まれている。ホット化学同位体交換カラムの出力には、蒸発器にパイプが接続される。循環経路水素は、それらのためにコールドおよびホットカラム化学同位体交換を組み合わせられる。

コールド化学同位体交換カラムの出力は、追加の化学同位体交換カラムの入力に接続されている。それは追加のラインから液体廃棄物（例えば、水）を受け、電気分解によって生成された水素によりバックカラムに供給するようにセルを追加の化学同位体交換カラムに関連付けられている。つまり、セルの入口化学同位体ＥＸ−変化の追加のラインを生成する液相（水）によって接続され、電池の出力が追加のラインの入力に気相（水素）に接続されている。セルはまた、触媒バーナーに得られる電解酸素の透過のための触媒バーナー経路に接続されている。水素が触媒バーナーに追加のラインから供給されるように触媒バーナーは、次に、追加の化学同位体交換カラムに接続されている。すなわち、バーナの第１の入力は電解槽を与えるために、気相（酸素）で接続され、バーナーの第２の入力は、追加のラインを与えるように、気相（水素）で接続されている。ホット化学同位体交換カラムの入力に接続された触媒バーナー管のうち。

また、特定の実施形態においてトリチウムを出力するための本考案の構造は、電解槽に接続された設備の容器からの水のように集中している。

本考案のトリチウムからの液体放射性廃棄物の精製装置の概略図である。

トリチウムからの液体放射性廃棄物（水）の浄化処理のための装置は、以下のように構成される。トリチウム汚染された水を精留塔に供給導管４（トリチウム濃度ＸＦとストリームＦ）を介して供給され、底部は、蒸発器２が配置され、水を蒸発させ、蒸気の形で精留塔１を通過させ、得られた水は、カラムの下部と水の浄化にトリチウム水を達成された繰り返し同位体交換の濃縮中の水蒸気と液体相の向流移動を繰り返すことにより、蒸発器２に精留塔１をラインの上部にある凝縮器３でトリチウムは凝縮される。浄水Ｐのフローに示すように、カラムの上部に凝縮器３からの水は、導管５を介しておりトリチウムを実質的に含まないＰ，ｘｐ。

凝縮器３で高い蒸発器２におけるトリチウム蒸発プロセスからの水の浄化の程度及びその縮合を達成するために何度も繰り返される。これは、エネルギーが連続の形で、蒸発器２に供給される水を蒸発させることを意味し、例えば、電力、および凝縮器３において、このエネルギーは、凝縮器３を介して循環する冷却水（失われたが、決定的に示されている）に放散される。蒸発に使用されるエネルギーを節約するために、蒸発器の構成は、追加の加熱コイル、圧縮機２１、フロンで圧縮された冷却水を介して熱湯を提供する熱交換器１８の熱ポンプが装備されている。フロンが膨張弁２２を介して蒸発し、蒸発器２で熱の伝達後冷却し、水蒸気はフロンにその熱を通すコイル熱交換器１９で凝縮する凝縮器３、熱交換器１９の冷却コイルに流入する。フロンは、凝縮した水蒸気から熱を奪うことはライン２０を介して冷媒ヒートポンプの機能−ションを提供し、この方法で圧縮機入口２１に冷却液の循環に入る。水蒸気に蓄えられた熱が戻って蒸発器に凝縮器から返される。

供給導管６を介して下方部分精留塔１から水を富化前トリチウムは、低温（いわゆるコールドカラム）で動作する、コールド化学同位体交換カラム７に供給される。コールド化学同位体交換カラム７および、（高温で動作する）ホット化学同位体交換カラム８を介して循環させる水素循環用ライン９にコールド化学同位体交換カラム７は接続されている。トリチウム枯渇水−コールド化学同位体交換カラム７底部における水と水素との化学同位体交換の結果、さらに濃縮はトリチウム水とホット化学同位体交換カラムカラム８の下部で達成される。トリチウムに富ませる供給導管１０を介してコールド化学同位体交換カラム７からの水は、追加の化学同位体交換カラム１３に供給され、ホット化学同位体交換カラムカラム８からは導管１２を通って蒸発器２に供給される。

カラムは、水素と酸素に分解される電解槽１４に供給されることを通して、供給導管１０を介して追加のカラム１３で受けた濃縮されたトリチウム水が運ばれている。遊離した水素は水素の燃焼は水の電気分解によって電解槽１４で進化酸素のために使用され、トリチウムを含む得られたバーナー水が返される配管１６を介して触媒バーナー１５に供給され、触媒燃焼器のカラム１３に戻り、カラムの出口に水が燃焼される水と水素の化学的同位体交換の結果として追加のカラム１３中の水素と水の向流では配管１１を介してホット化学同位体交換カラム８への入り口の精製はカラムの下部に、セル内のトリチウム濃度に行われる。容器１７において、トリチウム含有量の高い水（１０〜５０ ＣＩ／ｌ）がマグネシウムまたは他の吸着剤によって定着し、トリチウムの蓄積濃度の高い水（ストリームＷ、ＸＷ）は、トリチウムが蓄積され次第、セル１４の出口から容器１７に移動する。

この技術的な解決策によれば、装置は、低エネルギーコストと加工性と安全性の高いトリチウムから洗浄水を提供している。

技術的解決法は、以下の実施例により例示される。トリチウムからの水の浄化の装置は、次の機器で構成されている。
−精留塔１は、レヴァインズノズルの形で高充填された物質交換装置であり、直径３００ミリメートル、高さ１５メートルである（ＳＶＩＤ ソ連 Ｎ ７５１１５，Ｃ １２ Ｆ １／００、ＰＵＢＬ １９４９）寸法の酸化ステンレス製２．５×２．５×０．２ｍｍ。ラインの動作パラメータ：カラムのヘッドの温度／圧力は６０〜６５℃／０．０２ＭＰａで、カラムの底部の温度／圧力は７０〜７５℃／０．０４５ＭＰａ。供給導管４は、最大６リットル／最大１０の割合で同位体交換カラム７と８で薬液の転送と選択のための時間の導管６と１２の割合で精製水を選択するための導管、６リットル／時間の速度で原水を供給するための導管を有している１Ｌ／Ｈ。
−精留塔１に接続され、３．６ｍ２の蒸発面に、熱交換器コイル１８を備えた蒸発器２。
−凝縮器３は、精留塔に接続されており、７．２平方メートルの表面凝縮コイル熱交換器１９を搭載している。
−ヒートポンプ回路は、圧縮機２１ １５キロワットに冷媒−冷媒（Ｒ４０７、Ｒ１３４など）、膨張弁２２を循環するためのパイプ循環２０を含む。
−６メートルの高さであり、疎水性の触媒を充填した直径２００ｍｍのコールドカラム７（Ｊ．Ｌｉら、米国特許７１５３４８６Ｂ２、水素同位体交換用触媒、ＡＥＣＬ ２００６年１２月２６日）。動作温度６０℃、圧力０．１ＭＰａの疎水性触媒で満たされた化学同位体交換の高さ６メートルおよび直径２００ｍｍのホットカラム８（Ｊ．Ｌｉら、米国特許７１５３４８６Ｂ２、水素同位体交換用触媒、ＡＥＣＬ ２００６年１２月２６日）。作業温度は１３０℃、圧力は１．０ＭＰａ。カラムを５０ｍ３／ｈの流量で水素の循環６リットル／ｈと水素循環用ライン９の割合でトリチウム富化溶液を転送するために、供給導管１１及び供給導管１０が設けられている。
−３メートルの高さおよび疎水性の触媒を充填した直径１００ｍｍの追加の化学同位体交換カラム１３（Ｊ．Ｌｉら、米国特許７１５３４８６Ｂ２、水素同位体交換用触媒、ＡＥＣＬ ２００６年１２月２６日）。動作条件は温度６０℃、圧力０．１ＭＰａである。カラムを１００リットル／ｈの流速で回路に冷却水を流しながら１０ １５ ＭＪ／ｈで１０００リットル／ｈ型ＭＥＬ触媒バーナー５００および熱に対する水素と電解槽１４の出力に接続されている。
−トリチウムを収集し、定着するための容器−ステンレス製５リットル、接続アーマチュアを搭載。
〜１×１０^６ベクレル／リットルのレベルにトリチウムで汚染された設備に処理水。原水のための５リットル／ｈのプラント容量。セルから〜０．５ミリリットル／ｈにおけるトリチウム含有水の形で示されて固定され、トリチウム濃縮−装置が約５リットル／ｈ（５００ベクレル残存トリチウム〜３００の内容）の量のトリチウム精製水から形成される場合処分のための容器内のアルミナ（５〜６重量％）。濃縮物中のトリチウムの濃度（活性）は、約１×１０^１０ベクレル／Ｌである。

本実施形態における装置は、５Ｌ／ｈの容量を有し、元のコンテンツと比較して（２００以上の浄化率）と１００００倍のトリチウム濃度をリセットするために、トリチウム標準によって水を浄化する。発電所−２０キロワット以上。プロトタイプ装置の消費電力１２０キロワット（推定値）よりも小さくない。このように、技術的な解決策のトリチウムからの水の浄化の装置はエネルギー消費のレベルでのプロトタイプの技術的な解決策と比較して利点があある。本考案の装置は、プロトタイプよりも約６倍より効率的である。水の形で高度に濃縮されたトリチウムのように、装置も、従来技術の安全性と作業性が増加している。

提案された設計の効率と費用対効果は、設計研究のプロトタイプの装置、およびその他のよく知られている技術的解決策と比較して、その技術的および経済的な利点を示している。装置を正常に液体放射性廃棄物のトリチウムの精製に使用することができる。

１ 精留塔
２ 蒸発器
３ 蒸気凝縮器
４ トリチウムで汚染された原水の供給導管
５ トリチウムから浄化された原水の供給導管
６ トリチウムが蒸留塔冷化学同位体交換カラムから水を富化する供給導管
７ コールド化学同位体交換カラム
８ ホット化学同位体交換カラム
９ ホット化学同位体交換カラムおよびコールド化学同位体交換カラムの水素循環用ライン
１０ 追加の化学同位体交換カラムにコールドカラムからトリチウム水を豊かにする供給導管
１１ ホット化学同位体交換カラムでの触媒燃焼器から水を供給するための配管
１２ 精留塔のキューブ蒸発器にホット化学同位体交換カラムからのトリチウム水を含む供給管
１３ 追加の化学同位体交換カラム
１４ 電解槽
１５ セル、配管１６を介して電解槽１４から供給される酸素からカラム１３を流れる水素を燃焼させるための触媒バーナー
１６ 触媒バーナーに電解槽から酸素を供給するための配管
１７ トリチウム濃縮のための容器
１８ 熱ポンプ熱交換器を提供する沸騰水加熱コイル
１９ 水蒸気の凝縮を提供するヒートポンプの冷却コイル、熱交換器
２０ 冷媒の冷媒回路ヒートポンプの加熱を接続する、冷却コイルのパイプ循環
２１ フロン熱伝達剤を循環させる冷媒圧縮機
２２ 冷客水配管の循環のための膨張弁

Claims (2)

1. 凝縮器、蒸発器、精留塔、ホット化学同位体交換カラム、コールド化学同位体カラム、ホット化学同位体交換カラムとコールド化学同位体カラムの水素循環用ライン、および、精留塔を備えた、トリチウムからの液体放射性廃棄物の精製構造であって、
   酸素の透過のための追加の化学的同位体交換カラム、電解槽、電解槽と接続され、コールド化学同位体カラムと接続された追加の化学的同位体交換カラム、触媒バーナーと追加の化学的同位体交換カラムから水素を移送するための経路を備え、
   蒸発器と凝縮器を接続し、圧縮機と膨張弁を有する冷媒を循環させるための熱交換器に接続経路が装備されており、ホット化学同位体交換カラムは、蒸発器の導管に接続されていることを特徴とするトリチウムからの液体放射性廃棄物の精製装置。
2. 電解セルはトリチウム水性濃縮物をサンプリングするための容器が装備されていることを特徴とする請求項１に記載のトリチウムからの液体放射性廃棄物の精製装置。